§6—9需氧化§6-10厭氧代謝

厭氧生物代謝過程（如圖6-32）分為三個階段。

第一階段是由兼性細菌產生的水解購類，將大分子物質或不溶性物質水解成低分子可溶性有機物，如葡萄糖(己糖)、氨基酸、脂肪酸和甘油等。

第二階段是由產酸細菌把可溶性有機物氧化成為低分子的有機酸、醇等，并合酸細胞物質。

第三階段是由產甲烷細菌把第二階段的產物近一步氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新的細胞物質?！?-10厭氧代謝§6-10厭氧代謝（2）丁酸型發(fā)酵

這是由梭狀芽孢稈菌所進行的一類發(fā)酵，因發(fā)酵產物中都有丁酸，不同梭菌的最終產物除有丁酸外，還可分別產生乙酸、乙醇、丁醇、丙酮、異丙醇等。根據發(fā)酵產物不同，可分為丁酸發(fā)酵、丁醇異丙醇發(fā)酵等。1．丙酮酸的厭氧氧化

葡萄糖經1，6—二磷酸果糖降解為丙酮酸，是大多數厭氧和兼性厭氧微生物進行葡萄糖厭氧分解的共同途徑。（1）乙醇發(fā)酵

在厭氧條件下，細菌或酵母菌將EMP途徑生成的丙酮酸進一步降解為乙醇?！?-10厭氧代謝（5）乳酸發(fā)酵1.同型乳酸發(fā)酵丙酮酸經乳酸脫氫酶的催化，被NADH2還原成乳酸，稱為同型乳酸發(fā)酵，除生成乳酸外，還有乙醇和CO2。2.異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵是經HMP途徑分解至5—磷酸木酮糖，在磷酸解酮酶的作用下裂解，并吸收無機磷生成乙酰磷酸和3—磷酸甘油醛。乙酰磷酸被還原成乙醇，放出H3PO4

，3-磷酸甘油醛經酵解轉化為丙酮酸，再還原成乳酸。整個過程凈得1個ATP。（3）丙酸發(fā)酵

丙酸發(fā)酵的過程是葡萄糖、甘油或乳酸先轉化為丙酮酸，再由丙酮酸經一序列反應生成丙酸。

（4）混合酸發(fā)酵和2，3—丁二醇發(fā)酵

大腸桿鹵發(fā)酵葡萄粉產生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各種有機酸，并產生2，3—丁二醇、乙酞甲基甲醇和甘油，稱為混合酸發(fā)酵。它們發(fā)酵經EMP途徑到丙酮酸，再由丙酮酸進一步分解或轉化成甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等產物?！?-10厭氧代謝2.甲烷的生成甲烷可能的生成途徑如圖6-34。(6)膠醋酸桿菌的醋酸發(fā)酵

膠醋酸桿菌的醋酸發(fā)酵是中國用于釀造糖醋的主要方式，利用葡萄糖或果糖進行厭氧發(fā)酵，生成醋酸。§6-10厭氧代謝（2）有關甲烷形成的機理，存在看多種學說，歸納起來主要有二種:

一種是二氧化碳還原論，最早出VanNiel于1930年提出，反應機理為

(6-59)

另一種為乙酸形成甲烷說，由Busewdll和S0llo于1948年提出，他們利用示蹤原子研究的結果，認為甲烷是由乙酸直接分解而得。先將乙酸氧化生成CO2和H2，然后兩形成CH4。乙酸產生甲烷的反應為脫羧反應：

(6-64)（1）厭氧生物處理最終的重要產物是沼氣，甲烷占60%~70%。由產甲烷菌在厭氧條件下產生，產甲烷菌現(xiàn)已證明是由甲烷桿菌M.O.H.菌株和乙醇氧化菌“S”菌株組成。§6-11微生物的生物合成

1.氨基酸的合成氨基酸是合成蛋白質的原料，各種氨基酸結構不同，合成途徑也各異、重要方式有氨基化作用和轉氨基作用。另一方式是以初生氨基酸作為前體合成次生氨基酸。如以谷氨酸作前體合成脯氨酸、鳥氨峻、瓜氨酸和精氨酸。(1)以谷氨酸為前體合成的氨基酸(2)以天冬氨酸為前體合成的氨基酸(3)酪氫酸、苯丙氨酸和色氨酸的合成(4)其它氨基酸的合成

在廢水的生物處理過程中．有機物質的生物降解與微生物細胞物質的合成同時進行、有機物降解的中間產物一部分成為生物合成的原料，生成新的細胞物質；另一部分繼續(xù)氧化分解放出能量為生物合成提供能源。在生物合成中，最重要的是氨基酸合成。在氨基酸合成基礎上通過核糖體的RNA進行蛋白質的合成。§6-11微生物的生物合成

氨基酸生成的另一主要途徑為轉氨基作用利氨基化作用。

微少物休內存在的谷氨酰胺和天冬氨酰胺可分別經本身的酰胺酶作用，分別脫氨生成谷氨酸和天冬氨酸：§6-11微生物的生物合成

轉氨基反應是一個α—氨基酸的氨基通過轉氨基酶的催化將氨基轉移到一個α—酮基酸的酮基位置上，生成與原來α—酮基酸相應的α—氨基酸。原來的α—氨基酸轉變成相應的α—酮基酸。此反應沒有自由NH3生成，通式為：

氨基化作用主要有還原性氨基化反應和直接氨基化作用。還原性氨基化反應是酮基酸氨基化作用中主要的反應，也是固定氨的主要反應。α—酮基酸經還原性氨基化反應，生成氨基酸：§6-11微生物的生物合成(1)α—磷酸甘油的合成

葡萄糖經EMP途徑生成磷酸二羥丙酮，在α—磷酸甘油脫氫酶催化下生成α—磷酸甘油(逆甘油降解途徑)。也可以由甘油被磷酸甘油激酶激活，生成α—磷酸甘油。(2)脂肪酸的合成(3)脂肪(甘油三酯)的合成

生成的a—磷酸甘油與二分子的脂酰CoA形成a—磷酸甘油二酯，a—磷酸甘油二酯借助于磷酸酶脫醋酸與另一分子脂酰CoA連接成甘油三酯。(4)卵磷脂的合成

α，β—甘油二酯和磷酰膽堿結合生成卵磷脂。磷酰膽堿的膽堿是由絲氨酸脫羧后進行甲基化形成的。膽堿經膽堿磷酸激酶催化生成磷酰膽堿。

2.脂肪的合成微生物利用糖代謝的中間產物作碳源合成脂肪。首先合成α-磷酸甘油與脂肪酸，然后用兩者再合成脂肪?！?-11微生物的生物合成（1)核苷酸的合成微生物不是先合成嘌呤環(huán)，再與核糖的磷酸酯結合起來生成核苷酸，而是先生成次黃嘌呤核苷酸（肌苷酸)。次黃嘌吟核苷酸(AMP)的合成中．微生物都是先合成IMP，然后由它再轉變?yōu)槠渌堰屎塑账帷Ｈ缦汆堰屎塑账嵊蒊MP嘌呤環(huán)上第六個碳原子氨化而來，內天冬氨酸供給氨基，GTP參加反應。3.核酸的合成核酸的DNA和RNA的合成，首先要合成相應核苷酸后，再通過DNA或RNA聚合酶催化下按照模板上堿基排列次序嚴格的進行復制合成。§6-11微生物的生物合成(2)DNA的合成

DNA的生物合成可概括為三個階段：①形成脫氧核糖核苷酸（dAMP,dCMP,dGMP和dTMP)；②通過適當的激酶將dAMP，dCMP,dGMP和dTMP磷酸化為相應的三磷酸核苷；③在有Mg2+和適當樣板(引物DNA)存在的條件下，DNA聚合酶(催化DNA合成的酶)以各種三磷酸脫氧核苷(dATP,dGTP,dCTP和dTTP)為底物合成大分子DNA。(3)RNA的合成

RNA的生物合成反應是RNA聚合酶以各種三磷酸—5—核苷(ATP，GTP，CTP，UTP)為底物，以DNA為模板合成的。所合成的RNA的核苷酸順序能反映模板DNA的核苷酸順序?！?-11微生物的生物合成

4．單糖的生物合成各類微生物合成單糖的主要途徑是從丙酮酸、磷酸烯醇丙酮酸合成6—磷酸葡萄糖。用于合成葡萄糖的各種前體物質，有TCA環(huán)的中間代謝物、一些氨基酸以及CO2等。前體物質通過各分支途徑后，均匯集到達條主要合成途徑中來。但是各種微生物利用的分支途徑的程度不同。用于合成單糖的三羧酸循環(huán)的中間代謝物是一些可被氧化的草酰乙酸的化合物，這些中間代謝物先被氧化為草酰乙酸．然后由磷酸炳醇丙酮酸按化激酶催化，轉化為磷酸烯醇丙酮酸，最后逆EMP途徑合成葡萄糖。第七章廢水生物化學處理基礎1947年，首次出現(xiàn)了“生物化學工程”(Biochemicalengineering)一詞。1965年Aiba等人的專著《物化學工程》(BiochemicalEngineering)出版，標志著這一學科的正式出現(xiàn)。1971年Coulson及Richardson等著述的化學工程標準教材新添了第三卷，其中包括了一章生物化學反應工程，標志著生物化學工程已成為化學工程的—個新的組成部分。此后出版的生物化學工程專著有Atkinson的《生物化學反應器》(BiochemicalReactors，1974年)，Bailey及ollis的《生物化學工程基礎》(BiochemicalEngineeringFundamentals．1977年)等書。生物化學工程中應用的發(fā)酵器有兩種基本類型，一種是利用微生物絮體的作用，這與廢水處理中的活性污泥法相類似；另一種是利用微生物膜的作用，這與廢水處理中的生物濾池法相類似。

本章主要內容：§7-1單個細菌的模型§7-2細菌的連續(xù)增殖§7-3細菌增殖速率與底物消耗速率關系式§7-4BOD與TbOD§7-5微生物集團的模型§7-6微生物膜的阻力與厚度第七章廢水生物化學處理基礎§7-1單個細菌的模型

底物一般是通過細胞的粘液層、細胞壁與細胞膜進入細胞內部的，而代謝作用只發(fā)生在細胞內部的細胞質區(qū)。發(fā)生代謝作用后，底物也就消失了。這里，我們假設：①不考慮復雜的代謝過程；②把底物的消失引用流體力學中“匯”的概念來解釋；③粘液層、細胞壁、細胞膜等作為底物傳遞的邊界。這樣就得到一個細菌的簡化模型，如圖7-1所示。

§7-1單個細菌的模型

擴散區(qū)指細胞壁外粘液層的部分，其表面積為adcm2，，底物通過擴散區(qū)時服從Fick的第一擴散定律，即底物的通量為：

Nd=－D

擴散區(qū)的內面為透酶區(qū)。這一區(qū)指細胞膜的透酶所起的運輸作用。透酶是細腦膜內的一類立體專一性載體分子，這類分子也是一種蛋白質，取名透酶以示區(qū)別于代謝酶。透酶區(qū)的通量可用下列公式來表示：

代謝區(qū)指細胞膜內的區(qū)域。這一區(qū)域內雖然產生了許多極復雜的代謝途徑，但組成代謝途徑的每一個反應都是由酶控制的，因而服從于Michaelis—Menten方程。代謝區(qū)內底物消耗速率可以表示為：

§7-1單個細菌的模型

當代謝區(qū)消耗底物的速率恰好和底物通過兩個運輸區(qū)的速率相等時，便得到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，這時存在下列關系：

當底物不需透酶區(qū)的運輸時，式（7-4）簡化為：

當包含透酶區(qū)時，由式（7-4）看出底物的消耗速率完全由運輸過程來控制，即由下列關系控制：

§7-2細菌的連續(xù)增殖

簡單的恒化器見圖7—3，是一個工作容積可以小至100mL的容器。進入恒化器的滅菌培養(yǎng)液的流量為fmL/h，恒化器的溢流流量也是frnL/h，恒化器內液體容積為V．并不斷供給滅菌空氣，以保證細菌的需氧過程。培養(yǎng)液處在不斷攪拌過程巾，以保證培養(yǎng)液的成分均勻。就整個體系而言，當達到每秒鐘增加的細菌個數與每秒鐘排掉的細菌個數相等時，恒化器即處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖7—3所示的恒化器實際可看作是一個CSTR。

§7-2細菌的連續(xù)增殖

每小時通過溢流量f所排掉的細菌質量為：

f×1mL中的細菌質量=f×=Dx

由于細菌的增殖率可表示為dx/dt=μx，所以當恒化器處于穩(wěn)定條件下時得：

在恒化器中，Monod方程可寫為：

§7-2細菌的連續(xù)增殖

由圖7-5可知，當生物處理設備的進水有機物濃度在一定范圍內波動時不會引起微生物特性很大的變化，因而系統(tǒng)的運行能處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據Monod方程，可以求得恒化器穩(wěn)態(tài)條件的營養(yǎng)物濃度ρ為：

§7-3細菌增殖速率與底物消耗速率關系式

把底物的消耗速率分成兩部分．一部分是由于細菌生長新的細胞物質而產生的，以表示，另一部分是為維持細菌處于活的狀態(tài)所需的能量而產生的，以表示，這就得：

（7-13）

由：式中，Yc稱為真產率因數。

維持能量所需的消耗速率應該與細菌的質量x成正比，可以表示為：

式中，m稱為維持系數，量綱為時間-1。

這樣（7-13）可以寫成：

生化需氧量（BOD）

水中有機物通過微生物的氧化變成簡單無機化合物的過程中，對水中溶解氧的消耗速率，稱為它的生化需氧量(BOD)?！?-4BOD與TbOD

細菌以有機物為食物而生長，在生長過程中，一部分有機構轉化成為新的細菌細胞，同時產生二氧化碳和水等。當水中食物不足時，細菌又從本身物質中吸取能量以維持生命．這一現(xiàn)象稱為內源代謝(endogenousmetabalism)或內源呼吸(endogenousrespiration)。細菌死后．又以有機物的形式作為細菌的食物而重復上述過程。另外，活的細菌與死的細菌又是原生動物和其它較高級微生物的食物，原生動物這類微生物因此稱為捕食微生物。生化需氧量（BOD）§7-4BOD與TbOD

圖7—7給出了新鮮生活廢水的生化需氧量歷時曲線形式和溫度對歷時曲線的影響。第一階段：由于含碳有機物的分解所需要的生化需氧量，也稱碳質BOD（carbonaceousBOD）；第二階段：（硝化階段）代表含氮有機物硝化過程的需氧量，稱為氮質BOD(nitrogenousBOD)。

生化需氧量（BOD）§7-4BOD與TbOD

當典型的碳源物質葡萄糖完全氧化時可以寫成：

則可認為生化需氧量等于2.67×有機物碳原子的質量濃度。細菌細胞的合成可以寫成：由此可計算，每合成1g干細菌，約需單體氧0.985g。細菌的氧化分解可以寫成：按這一反應計算，每克干細菌的完全氧化約需單體氧1.42g。生化需氧量（BOD）§7-4BOD與TbOD

含碳有機物完全氧化成二氧化碳及水的生化需氧量稱為總生化需氧量，以BODL或BODu表示。硝化BOD的反應可表示為：

按這兩個反應，可得：硝化BOD=4.57(有機氮+氨氮)mg/L+1.14（NO2-

氮）mg/L這里特別指出：上述生化需氧量概念為其原始涵義，與生化需氧量試驗所測得的生化需氧量完全不是一個同一概念。

BOD試驗

從圖7-8中看出，接種細菌的生長過程中有一個滯后期，在這一段時間內．細菌的濃度沒有變化，接種的細菌在滯后期中雖然也要攝取一定食物及溶解氧．但是量甚少，所以有機物濃度可以視作無變化。BOD值應為零，只是當細菌開始增殖后，有機物濃度才開始下降，當細菌濃度達最大值時，有機物濃度也降為零。在有機物濃度為零以后．細菌靠內源呼吸以及死的細菌以取得營養(yǎng)物。在這一階段，由于有足夠的細菌為食料，原生動物也開始增殖起來。細茵的內源呼吸以及原生動物的生長代謝都同時攝人氧。包括在這一階段的BOD值中。§7-4BOD與TbOD圖7-8反映了BOD試驗所存在的兩方面的問題：①BOD5與總BOD值不會具有一定的數量關系。②按曲線通過原點的一級反應來處理BOD數據的辦法xianran是不嚴格的。TbODBOD坪值（BODplateau）：在微生物不斷攝取有機物底物增殖的過程中，微生物處于對數生長期。有機底物必然會迅速地減少，表現(xiàn)為生化需氧量迅速地增長，當底物消耗完后，微生物生長進入靜止期，生化需氧量的增長必然很快地緩慢下來，這在生化需氧量歷時曲線上會出現(xiàn)一個臺階，這一點的BOD值稱為BOD坪值?！?-4BOD與TbODGrady及Busch提出，有機底物的總BOD等于BOD坪值加上在坪值點所產生的細菌量的理論BOD值。即：總BOD=BOD坪值+細菌的BOD理論值

TbOD試驗方法：(1)獲取馴化后的細菌懸浮液，并用自來水洗去其中所含殘余有機物。(2)測定細菌懸浮液的COD及質量濃度。(3)測定廢水的COD值。(4)將細菌懸浮液amL與廢水bmL混合后并進行曝氣，以促進細菌的代謝作用．并保持試樣成分均勻，作為試驗的別問0點。(5)按一定的時間間隔取水樣，測定混合液的COD、經0.45μm孔徑濾膜過濾后的濾液COD以及懸浮固體量。

§7-4BOD與TbOD(6)計算TbOD試驗結果TbOD試驗結果可繪成圖7—10所示的曲線。當混合液的COD曲線變水平后，表示了水中有機物已經消耗光，其值CODm與混合液初始COD之差CODmi—CODm代表了BOD坪值，即廢水中的有機物完全轉化成細菌物質后所需的氧量。當濾液的COD曲線變成水平后，CODfi—CODf代表了由于微生物作用所去除的氧的總需要量，這個量按定義也就是有機物的總BOD值(BODL)?！?-4BOD與TbOD

在生物化學過程中，微生物集團(microbialmass)的形態(tài)有：固定在填料壁上的微生物膜或者在液相內處于懸浮狀態(tài)的微牛物絮體。

§7-5微生物集團的模型

為要進行微生物集團模型的數學公式推導，需要做出下面假定：

(1)微生物集團的成分是穩(wěn)定的，即不隨時間而變化；

(2)微生物細胞的功能也是不隨時間變化的，細胞的總性質只是局部環(huán)境的函數；

(3)在微生物集團整體中，菌齡分布以及其它微生物的生活特性也是不隨時間變化的。

某一點濃度ρ是指這一點附近的無窮小空間內濃度的平均值，按這個濃度所定義的擴散系數稱為有效擴散系數De。§7-5微生物集團的模型微生物膜的微分方程式

膜或絮體中所含的活微生物的比表面積a：微生物膜的厚度為L，在膜與液體界面處的底物濃度為ρb。把膜按一個單向的底物擴散過程來處理。底物在y方向上擴散。在穩(wěn)定狀態(tài)時取dy厚度，面積為dxdz的體積微元dxdydz內的物料衡算關系得：經整理得：邊界條件為：

y=L時，

y=0時，§7-5微生物集團的模型基本方程的解

引入有效系數E

當無擴散阻力時，通量Nb應該等于面積1cm2、厚L體積中所含微生物的總表面積上在單位時間內所消耗的底物量：在有擴散阻力的條件下，通量可表示為：

§7-5微生物集團的模型微生物絮體的解Atkinson等把球形絮體的特征長度定義為：絮體的通量表達式：

對絮體來說，底物的去除速率以按單位濕絮體容積中的每克干微生物物質所去除的量來表示較為方便，即：

大量試驗證明，底物從主體液體傳遞入生物膜內時受到兩層膜的阻力：生物膜自身的阻力及生物膜外的滯液膜(附面層)的阻力。生物膜自身的傳質阻力稱內傳質阻力。生物膜外滯液膜的阻力稱外傳質阻力，其值顯然與滯液膜的厚度有關。

§7-6微生物膜的阻力與厚度

在求解方程時如果考慮外傳質阻力，便必須確定生物膜與液體界面處的底物濃度，而該濃度的測量十分困難。為解決這一問題，目前采用三種辦法：⑴不考慮外傳質阻力。⑵用易于測定的主體液體的底物濃度ρb來表示生物膜表面處的底物濃度ρs。⑶用包括了內、外傳質阻力的全有效系數法來解式（7-26）。關于傳質阻力

生物膜的厚度是生物膜一個重要的特征量．因為它既影響膜內的微生物質量．又影響膜內底物的傳遞阻力。

§7-6微生物膜的阻力與厚度關于生物膜厚度

當生物膜厚L足夠小，以致可以考慮傳質阻力不存在時，E=1，因此，當存在L厚度的阻力，即L相當大時，有兩種情形：⑴ρb值小時，

⑵ρb值大時，

對于絮體在值小，以致可以考慮擴散阻力不存在時，E=1,有

當值大時，即存在擴散阻力，也分為兩種情況：

⑴ρb值小時得⑵ρb值大時得

第八章活性污泥法§8—l活性污泥法的基本概念§8—2CSTR型活性污泥法§8—3CSTR型活性污泥法的設計§8—4活塞流型活性污泥法§8—5硝化§8—6污泥氧消化反應器§8—7活性污泥數學模型§8—l活性污泥法的基本概念廢水混合液

反應器（需氧生物氧化）

二次沉淀池（固液分離）處理后廢水

混合作用廢棄污泥回流污泥沉淀污泥廢棄污泥氧源分散空氣或氧氣圖8-1活性污泥法基本流程圖1．基本流程§8—l活性污泥法的基本概念(1)發(fā)生需氧生物氧化過程的反應器。這是活性污泥法的核心部分。(2)向反應器混合液中分散空氣或純氧的氧源。(3)對反應器中液體進行混合的設備或手段。(4)對混合液進行固液分離的沉淀池，把混合液分成沉淀的生物固體與經處理后的廢水兩部分。(5)收集二次沉淀池的沉淀固體并回流到反應器的設備。(6)從系統(tǒng)中廢棄一部分生物固體的手段。圖形說明：§8—l活性污泥法的基本概念2．廢水處理中的“微生物”術語及其定量表示方式

在“微生物”以及由它構成的復合術語中，“微生物”本身并不具有嚴格的涵義，只有從它所描述的現(xiàn)象和有關術語的來源中，才能找出它們所指的具體內容。近年來，MLVSS在測定過程中仍然免不了包括一些并無生命活動的有機固體，所以用MLVSS米表示混合液中微生物的含量仍然有誤差，因而主張采用只有活的生物才具有的脫氧核糖核酸(DNA)的含量來表水混合液中的微生物量。然而，DNA的測定技術很復雜，在廢水處理工程中很難普及，除非特殊研究需要，目前在廢水處理中仍多以MLVSS來表示微生物的含量。涵義：§8—l活性污泥法的基本概念3．活性污泥法中的生物動力學參數

在活性污泥法中用混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度MLVSS代表細菌濃度x，并改用大寫X表示。因為在活性污泥法中的微生物是采用自然選樣即“適者生存，不適者死亡”的方式培養(yǎng)的，所以在混合液中的多種細菌和多種有機物底物之間，勢必一一相對應地存在著Monod關系式。這樣，當用MLVSS代替總的活細菌濃度和用BOD代替總的有機物底物濃度時，其總結果也應當仍然符合單一底物和單一菌種間所存在的基本關系?！?—l活性污泥法的基本概念單一底物和單一菌種間的Monod關系式，即式（7-9）：

故得

又因為

式中，k為常數，以式(6—22)代入上式得廢水中第i種底物與第j種細菌的關系如下(8-1)

：結論證明：§8—l活性污泥法的基本概念·x

代入式(8—1)得：

(8-2)

如果假定各種底物的值基本一樣,則將各種底物的方程(8—2)相加起來后可得下列入程式：(8-3)

又因活細菌的濃度x=ψδ(MLVSS)。又以BOD5

或BODL代替ρ則式(8—3)可與成下列形式：

假定廢水中有機物成分不變，那么，可進一步假定每種細菌在全部細菌總濃度x中所占的比例也不變，即：§8—l活性污泥法的基本概念

比較式(8—4)及式(8—1)可以看出，用MLVSS代替活細菌濃度，BOD代替有機物濃度的結果。仍然符合單一底物與單一菌種間存在的基本關系(8—1)。同樣，也可以采用MLSS來替代活細菌的濃度。因為測定MLSS比MLVSS簡單一些，以后公式都是以x代表MLSS?？傻玫较铝幸唤M方程：

式中(8-5)兩邊除以x,則得比增殖率rg的表達式為：

rg=

§8—l活性污泥法的基本概念§7-5引人了有效系數E所得通量的關系式(7—31)。通量的單位為質量每時間·面積，如果單位面積不論，則有有機物的去除速率dρ/dt，得出：R0=

Rg=

R0=

Rg=

這樣單一限制底物濃度ρ及單一菌種濃度x的dρ/dt及dx/dt通過對于ρ及x涵義的改變及有效系數E的概念，最后變成

R0和Rg的表達式(8—13)及(8—14)。§8—l活性污泥法的基本概念在這種新關系下，仍然得到下列式子：Rg=

上式子中的YG及b具有新的涵義。在活性污泥法中，當有機物濃度ρ相對于飽和常數K較小時，式(8—10)近似于一級反應方程式：rg=Kckenfelder將r0max/K稱為平均反應速率系數

Ke：Ke=有關上述的各生物動力學參數均可采用如圖7—3所示的恒化器求得。

§8—l活性污泥法的基本概念

本課在討論時雖然以BODL代表有機物濃度，MLVSS代表微生物濃度，但試驗時，有機物濃度P可以用BODL,BOD5,COD或其它方法表示，微生物濃度可以用MLVSS、MLSS或其它方法表示。表8—2、表8—3分別為所收集到的活性污泥法處理廢水的生物動力學參數。表8—220℃時生活污水的生物動力學常數b/d-10.35~0.450.05~0.106~825~100*K值基準為COD§8—l活性污泥法的基本概念表8—3混合培養(yǎng)物Monod方程參數值廢水類別/h-1/mg.L-1值基準生活污水0.16~0.422~60COD生活污水0.55120BOD5家禽廢水3500BOD5大豆廢水0.5355BOD5紡織廢水0.2986BOD5§8—l活性污泥法的基本概念(1)底物的代謝速率取決于系統(tǒng)的生物動力學條件。(2)生物絮體的沉降和濃縮性能

活性污泥系統(tǒng)要求產生沉降和濃縮性能良好的生物絮體，以保證有足夠高濃度的回流污泥和滿足要求的低懸浮物含量的出水。

(3)傳氧的限制活性污泥系統(tǒng)是利用需氧微生物來處理廢水的，這些微生物需要有機底物、溶解氧和其它一些營養(yǎng)物以維持生命活動，4．活性污泥系統(tǒng)性能的控制因素§8—2CSTR型活性污泥法1．基本方程式圖8—2CSTR型的活性污泥法系統(tǒng)§8—2CSTR型活性污泥法

進入反應器的原廢水流量為Q，其中有機物濃度為ρi、細菌質量濃度為Xi

?；亓鞅葹镽，流量Q與沉淀池回流流量RQ匯合后進入反應器?；亓髦械挠袡C物濃度為ρμ細菌質量濃度為Xu反應器中由空氣或純氧進行曝氣，其容積為V，有機物及細菌濃度分別為ρ和X。廢棄污泥流量為Qw

，由反應器的出水中排出，其中所含有機物及細菌濃度也和反應器內的濃度一樣，分別為ρ和X。由反應器出水中廢棄污泥也和由反應器中直接廢棄污泥的效果完全一樣，如圖中虛線所示。圖形說明：§8—2CSTR型活性污泥法按8—l符號，以R0、Rg分別表示反應器容積內以BODL，表示的有機物去除速率從以MLSS表示的細菌增殖率，根據公式寫出容積V內的有機物及細菌的物料衡算方程式，得出下列兩個基本關系：Qρi+RQρμ+VR0=(1+R)Qρ+Vdρ/dt

QXi+RQXμ+VRg=(1+R)QX+VdX/dt在穩(wěn)定狀態(tài)下，dρ/dt及dX/dt等于零，因此得，

Qρi+RQρμ+VR0=(1+R)QρQXi+RQXμ+VRg=(1+R)QX穩(wěn)定狀態(tài)這一假定很重要，下面的許多公式和有關的參數都是在這一假定上建立起來的?！?—2CSTR型活性污泥法2．細菌的平均停留時間θc和增殖率Rgθc=

MCRT也稱為污泥停留時間(SRT)。固體停留時間(solidsretentiontime)或簡稱污泥齡(sludgeage)。按圖8—2的廢棄污泥位置，θc可表示為：θc=

當無回流，當Qw＝0時得：

θc===MCRTθc的定義為：§8—2CSTR型活性污泥法

當忽略式(8—22a)及式(8—23a)中的(Q-Qw)Xe-QX1項時，則分別得下列θc的簡化公式：θc===θc=

利用θc的表達式，可從穩(wěn)定狀態(tài)的式(8—20)推導出細菌的增殖率Rg和θc的關系。由于式(8—20)中Xi《Xu，可以忽略Q及Xi項。得出下列關系：

Rg=進行一系列推算，得出：Rg==§8—2CSTR型活性污泥法比較上式即可得出下列重要關系：Rg=仿照式(8—8)得比增殖率rg公式為：

當由沉淀池底排走Qw時，按照同樣的推導過程可得出下列類似關系：

Rg=§8—2CSTR型活性污泥法

污泥齡是活性污泥法設計和運行的重要參數。它起了代替另一個習用的參數食料與微生物量比F／M，或稱食料與生物量比的作用。F／M定義為每天對單位揮發(fā)性懸浮固體質量所施加的有機物量，用下式計算：F／M雖然也稱為單位質量的負荷率(unitmassloadingrate)．但它的單位實際是d-1，恰好是污泥齡量綱的倒數。另外，F(xiàn)／M參數不像MCRT那樣，沒有在穩(wěn)定條件下才能使用的限制，用起來似乎簡單一些，這就是一些使用者所強調之處。

§8—2CSTR型活性污泥法3．θc和有機物的去除速率R0

Rg=

式中代表V／Q，可稱反應器的名義水力停留時間。ρi、ρu與ρ均按有機物的BODL計。ρu約等于ρ。在二沉淀池中，對于溶解性的有機物(包括膠體物質)，則不存在沉淀的問題，也不會有濃縮的現(xiàn)象。因此，底流中有機物濃度ρu應該基本上和近水的有機物濃度相等。這樣上式可化為：Rg=利用式(8—22b)，可由式(8—31a)得到

θc和有機物的去除速率R0

的關系式：Rg=§8—2CSTR型活性污泥法產率因數Y與污泥齡θc間也存在一個簡單的關系：Rg=由下式；

==θc代入上式整理得

這樣就可以根據式子繪成一條直線，從而求出Yg和b的值。4．θc和產率因數Y§8—2CSTR型活性污泥法5．反應器中有機物濃度ρ和微生物濃度X

Rg=由上式可解出有機物濃度

ρ的表達式：化簡后得：§8—2CSTR型活性污泥法微生物濃度X的表達式：關系代人上式得:

由上式得出反應器中細菌質量濃度X的表達式：Rg==X=§8—2CSTR型活性污泥法

由本章公式可知,活性污泥法的試驗就是求出有關廢水處理的b、K、Yc、K0四個動力學參數，從式(8—34)看出，當分母趨近于零時，反應器的有機物濃度ρ趨近于無窮大，相應的極小值為：

ρ不可能超過ρi變成無窮大，解釋：在污泥齡θcmin保持為進水ρ1的值，即實際上未來得及發(fā)生生化過程。在這一θcmin值時，相應地出現(xiàn)了最小的X值，由式(8—35)可看出，當ρ=ρi時X＝0，說明細菌尚未增殖。6．討論§8—2CSTR型活性污泥法θc必須大于θcmin否則反應器不能起到去除有機物和增殖細菌的作用。雖然θc小于θcmin時也可以算出Y值來，但由于小于θcmin的θc值實際上不對能存在，所以相應的Y值也是不存在的。圖8-3、8-4及8-5分別用具體數據表示了上面所分析的各種情況。

圖8-3CSTR的出水BODL-

θc曲線

總結：§8—2CSTR型活性污泥法圖8-4CSTR的出水MLSS-

θc曲線圖8-5Y-θc曲線§8—3CSTR型活性污泥法的設計1．確定最短的污泥齡θcmin并選用θc設計值

得出θcmin后，即可按的條件θc>θcmin

，選用幾個設計的值，進行下列一系列計算。根據計算結果，最后進行比較選擇。最短的污泥齡為：§8—3CSTR型活性污泥法的設計2.計算反應器容積反應器容積V為：

V=

式中：

從上式看出，在ρ已知后(θc值已選定)，對不同的微生物質量濃度X，相應地存在—反應器容積V。因此，對于—個選定的θc值，還要同時選擇幾個X值構成一組，這樣就計算出對應的一組反應器容積V來。選擇幾個θc值就得出幾組容積V?！?—3CSTR型活性污泥法的設計3.計算反應器內氧的攝入率R0

本文中以BODL代表有機物的濃度，它的去除速率R0

成為負值，所以-R0代表去除速率的絕對值應為正值。如果不考慮R0負號，氧的攝入率可表示為：

=式子中

R0取下式的絕對值：R0=

上式可用于計算R0。從式子(8-41)可看出對于不同的X值有一個相應的R02。選擇幾個θc值就得出幾組容積V，也相應地存在一組R02值?！?—3CSTR型活性污泥法的設計4．二次沉淀池的設計

先根據沉淀試驗所得的固體下沉速率ν及固體濃度ρ的數據計算固體通量，然后再假定幾個不同的底流速度u，作總固體通量曲線，得出幾個不同的底流固體通量ψ構成一組。沉淀池的面積Ac可由下列物料衡算關系略去項得出:Ac=回流比R可利用二沉池的下列近似的物料衡算關系得出：

R=

§8—3CSTR型活性污泥法的設計當由沉淀池底流排出Qw時，相應的Ac及R的表達式為：Ac=R=在大多數情況下，Qw<Q時，上式分別化簡成：Ac=R=二次沉淀池的面積已知后，根據經驗選用沉淀池深度后可以得出它的容積Vc§8—3CSTR型活性污泥法的設計為了對活性污泥法進行整體的評價比較，應將各種條件下的總池容(反應器容積V+二沉池容積)計算出來．這種過程稱為設計統(tǒng)合。也即V+Vc的值。5．設計統(tǒng)合(designintegration)§8—4活塞流型活性污泥法1．基本方程式圖8—10活塞流活性污泥法系統(tǒng)

如圖8—10所示：廢棄污泥仍然表示為從反應器出水排走及從沉淀池回流排走兩種情況。反應器為長條形池子，橫斷面積為A，長度為L。反應器的水平流速U=Q／A。

§8—4活塞流型活性污泥法寫出容積AΔX的有機物物料衡算方程式化簡得

:同樣，由容積AΔX的有機物物料衡算方程式可得出MLSS濃度X的下列關系：

式中，Rg為細菌的增值率。在穩(wěn)定狀態(tài)下對上式分別化簡成：把R0和Rg的關系帶入可得：==§8—4活塞流型活性污泥法

活寒流反應器的MLSS濃度X值是沿池長變化的，因此，應該按這個特點來定義。假定把反應器的容積沿池長分成n段相等的微容積V／n，以X1、X2、……Xn分別表示每段微體積中的MLSS濃度，則得MCRTθc，的定義為：

θc==當從沉淀池底流中廢棄污泥時：θc=假定，得出與CSTR系統(tǒng)同樣的

θc公式：θc=2．細菌的平均停留時間與增殖率Rg§8—4活塞流型活性污泥法由式（8-49）同樣把反應器沿池長分n段，得出以下式子：式中以V代替n(AΔX)。X*可表示為：

X*=

當忽略原廢水的MLSS濃度Xi

時得：X*-§8—4活塞流型活性污泥法當忽略二次沉淀池所流出的MLSS量（Q-Qw）Xe,則得出二次沉淀的物料衡算關系為：

[(1+R)Q-Qw]XΘ

=RQ

Xμ(1+R)QXΘ

-RQ

Xμ=比較式的左邊，可以得出下列關系：由前面的假定

時得出：式中，平均比值增值率。

§8—4活塞流型活性污泥法仿照CSTR模型式（8-32）的推導可得下列關系：=

=

Y=化簡最后得出：4.θc和和有機物去除率R0

得出：3.產率系數Y根據關系式：§8—4活塞流型活性污泥法先求反應器進口處的有機物濃度ρ*得：假定ρu可以忽略得

:由此得出MLSS的濃度X的表達式為：X=-Y(ρ-ρ*)=X-X*X是停留時間為θ處的MLSS濃度，當

θ=Θ，且忽略ρΘ時得：XΘ=X*+Yρ*5.微生物濃度X和反應器中有機物濃度§8—4活塞流型活性污泥法V/Qw=θc；V/Q=水力停留時間Θ，因此X*可表示為：

X*=當θ=Θ，即在反應器出口處的濃度ρΘ可表示為：

由式可看出，當給定-ρ值時，可以直接算出停留時間θ來，然后可算出X值來。但是，如果反過來由給定的θ值求ρ值必須通過選代法計算。

§8—4活塞流型活性污泥法6.CSTR型與活塞流型的比較圖8—11CSTR與活塞流反應器的比較

§8—4活塞流型活性污泥法

活塞流反應器出水的有機物濃度去除與K0、R、K、Y等參數有關系外，還與X*和ρ*的值有關系。ρΘ和ρ*和X*有關，也就是ρΘ和θc有關系。但是，從CSTR反應器的公式看出，出水濃度只和K0、K、Y及θc這幾個參數有關系，它和ρ、Θ、ρi均無關系。所以對于同樣的廢水水質數據進行CSTR及活塞流兩種不同模型的反應器出水水質計算時，所需要的參數項目是不相同的。圖8—11給出了一個這種計算的結果。區(qū)別：§8—4活塞流型活性污泥法7.活塞流型活性污泥法的設計

在活塞流型活性污泥法設計時，一般已知廢水流量Q、廢水BODL濃度ρ，出水BODL要求以及微生物生長的動力學常數K、b、YG、k0?；钊餍投纬恋沓氐脑O計與CSTR型的二次沉淀池設計相同，只是將計算式中的X改為即可。二次沉淀池設計計算后同樣可進行設計統(tǒng)合，方法也與CSTR型相同。

§8—5硝化圖8-13二級硝化活性污泥法兩級系統(tǒng)如圖8—13所示:§8—5硝化

圖8-13中第一級的反比器去除含碳有機物，第二級的反應器進行硝化過程，每一反應器后面有自己的沉淀池、回流和廢棄污泥系統(tǒng)，第一級的SRT一般小于3d,沒去除單位BOD所產生的污泥量高而耗氧量低第二級反應器比第—級的出水為進水，BOD較低。硝化過程的耗氧量關系得氧的攝人率為：

式中，QN、VN分別為硝化反應器的流量及容積；濃度P的下標NH3i及NO2-j分別表示以N計的NH3及NO2-：反應器進水濃度,無下標的表示反比器出水濃度。

§8—5硝化表8—6硝化過程常數

常數YKR=Yk0K0K單位g細菌/gNd-1d-1Mg/L數值NH30.050.336.61NO2-0.020.1472

設計硝化活性污泥法所應用的公式形式完全和設計第一級系統(tǒng)的公式一樣，只是公式中的濃度ρ原來是以BODL計的，硝化系統(tǒng)改為以氯計,X也改為以MLSS表示的硝化細菌濃度XN。因此，計算中的常數及K也要按這些新涵義來定義。這些常數值可按表9—8來選用?！?—6污泥氧消化反應器優(yōu)點：

(1)需氧消化能產生一種生物穩(wěn)定的無臭污泥，它類似于腐植質，易于脫水和處置；(2)需氧消化污泥澄清液的BODL較低；(3)需氧消化二次污泥可省去處理前的濃縮設備(4)操作管理簡單。§8—6污泥氧消化反應器圖8—14污泥需氧消化的活性污泥法流程§8—6污泥氧消化反應器1．基本方程式容積V內的VSS物料衡算式為：

需氧消化反應器的污泥齡可根據式(8—24)定義，即污泥齡θcd與反應器的水力停留時間相等。將式化簡，在穩(wěn)態(tài)條件下可得：式中ks、Xn可在間歇式試驗反應器中求定，試驗數據按圖8-16和圖8-17處理?！?—6污泥氧消化反應器圖8—16可降解性VSS與消化時間的關系圖8—17總VSS濃度與消化時間的關系§8—6污泥氧消化反應器2．需氧消化需氧量

(1)碳氧化過程的需氧量一部分是活性污泥中生物固體氧化的需氧量，另一部分是初次污泥的BODL的耗氧量。用數學關系式表示為：

式中：Q0為總污泥流量；η為活性VSS濃度中X0降解細胞所占的分數；QP為初次污泥流量；ρp為初次污泥的BODL濃度;1.41為每克干細菌完全氧化約需的單體氧質量?！?—6污泥氧消化反應器(2)硝化過程的需氧量NOD停留時間較長，在需氧消化的硝化作用是十分重要。需氧消化池的硝化所需耗氧量包括三部分：需氧消化池的消化耗氧量進泥中所含氨氮活微生物衰減釋放的氨氮初次污泥氧化時釋放的氨氮硝化所需的氧量§8—6污泥氧消化反應器NOD=4.57[Qa

]式中：Qa為活性污泥過濾液的流量，它近似等于

Q0；ρaN為活性污泥過濾液的NH4+-N濃度(總基耶達氮)；ρpN為初次污泥的TKN濃度；η為活性VSS濃度Y中細菌細胞降解分數：

需氧消化的總需氧量為：=硝化過程的需氧量NOD用數學公式表示為：§8—6污泥氧消化反應器3.需氧消化混合所需能量式中，

η為水的動力粘度(單化為g／cm·s)；X為消化池中穩(wěn)態(tài)條件下的總懸浮固體濃度(學位為mg／L)。

混合所需能量通常用功率密度表示。需氧消化池中所需的功率密度與消化池中的固體濃度有關。1973年，Reynolds在美國普渡(Purdue)大學召開的第28屆工業(yè)廢水處理國際會議上，提出了一個需氧消化所需最低功率密度ξd(單位為kW／1000m3)的經驗關系式:§8—6污泥氧消化反應器4．需氧消化設計參數

(1)水力停留時間與需要消化的污泥類別及消化溫度有關。(2)固體負荷一般取1.6—4.8kgVSS／m3·d。(3)需氧量與所需消化的污泥類別有關。(4)攪拌需能與攪拌方式有關。(5)污泥中剩余溶解氧濃度一般取1-2mg／L。(6)揮發(fā)性固體的降低百分率一般為40%—50％?！?—7活性污泥數學模型模型有三個特點限制了它們在實際工程中的應用：(1)它們是針對容易生物降解的溶解性底物的；(2)微生物被假定處于電子受體不受限制的環(huán)境中生長的；(3)它們只針對某一種工藝狀態(tài)?！?—7活性污泥數學模型1．IAWQASMNo．1的表述形式IAWQASMNo．1采用矩陣形式表述，如表8-30所示[8][12]。表中行號表示工藝過程，記為j;列號表示參與反應的組分，記為i。該模型含13個組分和8個工藝過程。2．IAWQASMNo．1的動力學參數和化學計量學參數IAWQASMNo．1共有19個參數，共中動力學參數14個，化學計量學系數5個。表8-12和表8-13分別表示了中性PH、20℃條件下、生活污水的動力學參數與化學計量學系數的典型值?！?—7活性污泥數學模型3．IAWQASMNo．1中各組分的表現(xiàn)轉化速率表達式各組分在所有工藝過程中總的表現(xiàn)轉化速率可用下式計算：ri=

4．活性污泥數學模型的應用1）應用與廢水生物處理系統(tǒng)的優(yōu)化設計與運行管理2）各種可供選擇的工藝中較迅速地篩選出經濟可行的工藝流程3）尋求改善水質、降低能耗、減小廢棄污泥量的解決措施。第九章生物膜法

§9-1生物膜法的基本概念§9-2滴濾池法§9-3Atkinson的滴濾池數學模型§9-4滴濾池的簡化模型§9-5生物轉盤§9-6生物流化床§9-1生物膜法的基本概念

圖9—1系生物膜法處理系統(tǒng)的基本流程。廢水經初次沉淀池后進入生物膜反應器、廢水在生物膜反應器中經需氧生物氧化去除有機物后，再通過二次沉淀池出水。

圖9—1生物膜法基本流程1．基本流程§9-1生物膜法的基本概念

表9—1中列出了生物膜法中各類反應器的設計參數。該表是根據國內外有關資料整理得出的，其中生物流化床是美國Ecolotrol公司處理城市廢水的生產性試驗資料。

類型水力負荷m3/(m2.d)負荷kgBOD5/(m2.d)BOD5去除率/%水力停留時間/h標準滴濾池1~3.50.08~0.480~85生物轉盤0.1~0.20.1~480~90流化床7.27840.26接觸氧化池1~1.850~751~2*單位為gBOD5/(m2.d)表9—1生物膜法的類型及設計數據§9-1生物膜法的基本概念

在20世紀50年代以前，生物膜法卻一直未被人們重視，其原因主要是因為生產中最早采用的生物膜法構筑物足以碎石為填料的滴濾池。碎石的比表面積小，能夠為微生物附著生長的表面積小，因而滴濾池的負荷不可能很大，使其占地面積較大，衛(wèi)生狀況也不好。

50年代，由于塑料工業(yè)的發(fā)展以及塑料填料引入生物膜處理系統(tǒng)，使生物膜法出現(xiàn)了許多具有重要意義的發(fā)展。因此，出現(xiàn)了許多新型的生物膜法設備。

20世紀70年代末，為強化生物膜法反應器中的傳質，流化床系統(tǒng)被引人生物膜處理中，稱為生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待點，又稱為半生物膜和半懸浮生長系統(tǒng)。2．生物膜法的發(fā)展§9-2滴濾池法

滴濾池是一個最典型的生物膜方法，借生物過程以去除廢水中溶解的以及肢體的有機物。生物膜及其工作過程示意見圖9—2。

圖9—2生物膜工作過程示意§9-2滴濾池法均衡滴濾池流量；改善填料的流量分布；改善池子的維護條件；防止產生蝶蠅；改善去除有機物的條件。

滴濾池系統(tǒng)的回流有多種不同的方式，圖9—1中分別用實線及虛線表示了三種常見的情況：(1)由二沉池出水回流到滴濾池前；(2)由滴濾池出水回流到滴濾池前；(3)由滴濾池出水回流到初次沉淀池前：回流的作用有：§9-2滴濾池法

類型性能低速或標準滴濾池中速滴濾池高速滴濾池超速滴濾池粗濾滴濾池兩級滴濾池填料碎石碎石碎石塑料塑料/紅木碎石/塑料水力負荷1~3.51~9.59.5~3814~8547~1879.5~38BOD5負荷0.08~0.40.24~0.50.5~0.950.5~1.61.6~81~2池深1.8~2.41.8~2.40.9~1.63~124.5~121.8~2.4回流比00~11~21~21~40.5~2濾池蠅多有少少或無少或無少或無脫膜情況間歇性間歇性連續(xù)性連續(xù)性連續(xù)性連續(xù)性去除率80~9050~7065~8565~8040~6585~95出水質量硝化良好部分硝化略有硝化略有硝化無硝化硝化良好表9—2滴濾池類型及性能

§9—3Atkinson的滴濾池數學模型1.基本方程式圖9—3滴濾池模型滴濾池的模型見圖9—3?！?—3Atkinson的滴濾池數學模型(1)生物膜內的代謝過程服從7—5的模型假定；(2)整個系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)；(3)水膜內的流速按4—8的層流流速分布公式(4—85)計算；(4)水膜內無縱向的混合;(5)底物的橫向通量按Fick公式計算;(6)底物的縱向通量；(7)氣-水交界面無限制營養(yǎng)物傳遞；(8)在z=0進口處不存在底物的濃度梯度。模型的假定如下：§9—3Atkinson的滴濾池數學模型寫出水團微元的物料衡算關系，然后化簡得出：

V[1-((9-1))

]

=D

初始條件為：

(9-2)邊界條件為：(9-3)初始條件式（9-2）根據假定(8)得出。邊界條件式(9—3)根據假定(7)及(5)得出。V[1-((9-1)]

§9—3Atkinson的滴濾池數學模型按下列新變數的關系使式(9—1)等關系無量綱化Y=

Z=

f=

k=

這樣，微分方程(9—1)、初始條件(9—2)及邊界條件(9—3)等式分別成為（1-Y)f

(9-7)

(9-6)

(9-5)

(9-4)(9-8)2．基本方程式的解§9—3Atkinson的滴濾池數學模型對式(9—7)的k表達式可以進一步加以改變以便于應用。先令：k=

(9-9)

式中k的量綱為長度／時間，相當于傳質系數，又令w表示填料單位橫斷面積的潤濕長度，代表單位潤濕長度的流量，Q表示單位橫斷面積的流量，則由量綱關系可以寫成下式：

Q(長度3／時間·長度2)＝(Qp長度3／時間·長度)×w(長度／長度2)進一步可假定w=r(常數)×Aw(填料的潤濕面積／單位體積填料)的量綱為長度2／長度3與w的量綱一致，故得：Q=Q

(9-10)§9—3Atkinson的滴濾池數學模型

對隨機填料來說，比例常數r為1。又由式(4—84)得流速v的平均值因此，對于9—3模型的單位潤周長度上(即膜的寬度為1時)的流量QΨ=δυm并由式(9—10)得：Vm=由上式，并根據隨機填料的假定r=1得：k=

然后通過計算=兩邊化簡：(9-11)(9-12)

(9-16)(9-17)§9—3Atkinson的滴濾池數學模型根據上述有關公式求出b1、b2，將式(9—13)代入式(9—8)中得下列邊界條件：

=-

=-

因此，在方程式(9—8)中，k已改用式(9—12)計算，式(9—19)已代替了原來相應的邊界條件。為了求解，令：

g=ξ+f

(9-22)

初始條件變成:g(Y,0)=1+ξ(9-23)

邊界條件分別為：(9-19)

(9-20)

(9-25)

(9-26)

§9—3Atkinson的滴濾池數學模型

式中，g的函數表示g（Y、Z、η、k、ε）Atkinson等得出ε=0時式（9-19）~（9-23）的解g（Y、Z、η、k、ε）。然后由下式：F（η、k、0）=仿照建立函數F（η、k、0）建立函數I

（η、k、0）以便于計算，得出：

I（η、k、0）=

=（1+ξ）I（η、k、0）-ξ

I（η、k、0）=（1+ξ）I（η、k、0）-ξ

§9—3Atkinson的滴濾池數學模型圖9—5I（）對η的計算曲線

由上式計算出來/，對函數I（）和F（）的計算類似，但是也很復雜，所以可用圖9—5的曲線以減少計算過程。

§9-4滴濾池的簡化模型

滴濾池的簡化模型如圖9—7所示，填料高為H，廢水流量為Q，回流量為RQ，原水有機物濃度為

圖9—7滴濾池簡化模型1.滴濾池的設計§9-4滴濾池的簡化模型通過計算，得出滴濾池出口處（Z=H）的有機物濃度為:

=exp

(9-39)

從式(9—39)可看出，由于；為常數值，故當回流比R為零時，與wH/Q間應呈直線關系。圖9—8的塑料填料數據對這一關系也起了驗證的作用。由圖9—8可得出值約為1.4×10-4cm／s

。

由圖9—8所得的值代人式(9—38)．可以得出回流比R對及的影響關系。如圖9—9及圖9—10所示，由圖中看出，無論是對原水的有機物去除率1-或者對滴濾池的總去除率1-。來說，增大回流比R都起了降低去除率的作用。

§9-4滴濾池的簡化模型圖9—8塑料填科的高負荷滴濾池去除有機物效果圖9—9R對的影響

§9-4滴濾池的簡化模型=exp(-

）（9-40）

式中，A為滴濾池的橫斷面積；a為填料的比表面積；K、m及n為試驗常數，其余符號向前。

Eckenfelder公式的實用形式為：=exp(-

）

(9-41)式中：L=

L代表濾池的水力負荷。

2．Eckenfelder公式§9-4滴濾池的簡化模型

由圖9—12所示，可得出兩組對應的L與S值。

圖9—12求斜率S值

因此，以圖9—12所得的兩組S及L值按上式關系作圖，得出一條直線，其斜率為-n，如圖9—13所示。圖9—13求Eckenfelder公式的n§9-4滴濾池的簡化模型最后，把式(9—41)寫成K(-）+In=

(9-44)以n代人上式后，按與繪成的直線，其斜率即-K，如圖9-14所示：

圖9—14求Eckenfelder公式的K§9—5生物轉盤

生物轉盤的工作過程見圖9—15，每塊圓盤上生物膜的有機物擴散通量可用式(9—37)表示：

N=

(9-37)假定每面膜的淹沒面積為As，則每面膜去除有機物的速率為

M=As由于圓盤與圓盤的間距很小，假定去除速率是連續(xù)函數。令VL代表一片圓盤兩面的膜所擔負的去除有機物的水容積，則可將去除有機物的速率寫成下列關系：

=-2M=-2As式中：θ為水在生物轉盤氧化槽內所經歷的時間：

§9—5生物轉盤圖9—15生物轉盤工作過程示意

K(-）+In=

將上式寫成下列形式進行積分，積分后得下列關系式：

式(9-44)可以作為求參數及K的依據，轉盤的圓盤理論片數可以直接從QΘ／VL值得出?！?—6生物流化床

由于生物流化床(biologicalfluidizedbedreactor)具有有機物容積負荷大、處理效率高、占地少和投資省等優(yōu)點，流化床的回流比應使流化床中的空床上升流速處于上述兩種速度之間。臨界流化速度可按下式計算：=

(9-45)

式中，為臨界流化速率，單化為cm/s；dp為填料粒徑，單位為cm；ρpρ1分別為填料和水流的密度，單價為g／cm3;為水的動力粘滯系數，單位為g／cm.s；g為重力加速度，981cm/s2；ξmf是填料開始膨脹時的孔隙率為φs球形度，φs定義為同體積球形顆粒的表面積除以顆粒實際表面積。

1.基本原理§9—6生物流化床圖9—16生物流化床流程

如圖，廢水和從生物流化床反應器出水的回流水在充氧設備進口處與空氣混合后，從反應器的底部進入，自下而上通過反應器，使續(xù)料保持在流化的工作狀態(tài)、經填料上的生物膜處理后的廢水，除部分回流到無氧設備進口處外，最后流人二次沉淀池，以便沉掉懸浮的生物量，排出合格的出水。

§9—6生物流化床有機物的去除率為：η==1-=1-f

(9-46)

式中，分別為流化床反應器進水和出水的有機物濃度，f可稱為有機物的殘余濃度率。流化床的容量去除速率可表示為：

Rv=

(9-47)式中，Q為廢水流量，v為流化床的容積。

2．生物流化床性能分析與設計計算§9—6生物流化床

為了得出流化床的相似準數間的相關關系，須對相關公式進行有量綱量進行無量綱轉換。最后得出下列的相關